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1、四川师范大学成都学院电子工程系课程设计报告前 言随着时代的发展，先进的科学技术给人们的生活带来了翻天覆地的变化。各种各样的智能化产品层出不穷，推动着社会的进步。全球定位系统GPS是美国从20世纪70年代开始研制，在1994年建成，以接收导航卫星信号为基础的非自主式导航与定位系统，它以全球性、全能性、全天候性、连续实时高精度的实时时间、三维位置、三维速度为人们的生活带来了方便。随着全球定位技术的不断改进和完善，它的应用领域将会不断地扩大，必将成为信息时代不可缺少的一部分。在我们的生活中GPS定位系统给我们带来了便利，如车载GPS导航仪、GPS手持设备、GPS/GPRS远程终端控制设备等，但是他们
2、的价格比较昂贵。本设计使用低功耗的AT89S52单片机、GPS卫星定位模块和LCD12864液晶显示模块来实现对GPS定位信息的计算和显示。GPS信息主要有GPGSV（可见卫星信息）、GPGLL（地理定位信息）、GPRMC（推荐最小定位信息）、GPVTG（地面速度信息）、GPGGA（GPS定位信息）和GPGSA（当前卫星信息）。在设计中我用软件只对GPRMC（最小定位信息）和GPGGA（GPS定位信息）进行了解析，并将解析后的数据转换成字符，通过LCD12864显示日期、时间、经度、纬度、航向、速度和海拔高度等卫星信息。本设计思路清晰、结构简易、性价比高，对研究GPS定位系统二次开发有重要作用
3、。1.总体设计方案1.1系统设计框图本设计主要由电源电路、复位电路、时钟电路、串口通信电路、GPS接收模块、LCD12864显示电路组成。电源电路为系统提供电源，复位电路用于单片机的初始化操作，时钟电路用于是单片机工作在统一的时钟脉冲。GPS接收模块由GPS接收电路和GPS接收天线组成。GPS接收机用于接收GPS卫星信号，并将接收到的信息通过串口通信方式发送到单片机中。单片机通过软件程序对接收到的GPS定位信息进行计算解析，并将解析的结果通过LCD12864显示。系统设计框图如图1所示：图1 系统设计框图2.设计原理2.1 AT89S52单片机结构和原理2.1.1 AT89S52单片机功能特性
4、AT89S52单片机是一种低功耗、高性能COMS8位控制器，具有8K可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，适宜于常规编程。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32 位 I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个 16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续
5、工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。AT89S52引脚分布图如图2所示：图2 AT89S52引脚分布图AT89S52主要性能： 与MCS-51单片机产品兼容 8K字节在系统可编程Flash存储器 1000次擦写周期 全静态操作：0Hz33Hz 三级加密程序存储器 32个可编程I/O口线 三个16位定时器/计数器 八个中断源 全双工UART串行通道 低功耗空闲和掉电模式 掉电后中断可唤醒 看门狗定时器 双数据指针 掉电标识符2.1.2 复位控制电路原理复位是单片机的初始化操作，单片机在上电启动运行时，都需要先复位。其作用是使单片
6、机和其他部件都处于一个确定的初始化状态，并从这个工作状态开始工作。但是单片机自身不能自动进行复位，必须使用外部复位电路来实现单片机的复位。单片机的外部复位电路有上电自动复位电路和按键手动复位电路两种。我们采用的是按键手动复位，当复位按键按下后，复位端与VCC电源接通，电容迅速放电，使REST引脚为高电平；当复位键弹起后，VCC电源通过10K欧姆电阻对22uf电容重新充电，REST引脚端出现复位正脉冲。其持续时间取决于RC电路时间常数。复位控制电路图如图3所示：图3 复位控制电路图2.1.3 时钟控制电路原理单片机的工作是在统一的时钟脉冲控制下进行的，这个时钟脉冲由单片机时钟电路发出，单片机的时
7、钟产生有内部时钟和外部时钟两种，我们采用的是内部时钟方式。此方式是利用芯片内部的振荡器，然后在引脚XTAL1和XTAL2两端接晶体振荡器，就构成了自激的振荡器，发出的脉冲直接送入内部时钟电路。外接晶振时，C4和C5的值通常选择为15PF33PF之间，电容对频率有微调作用。时钟控制电路图如图4所示：图4 时钟控制电路图2.2 GPS结构组成全球定位系统（Global Positioning System）GPS是美国第二代卫星导航系统，是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，它采纳了子午仪系统的成功经验，和子午仪系统一样，全球定位系统由空间部分、地面控制部分和用户设备三大部分组成。GPS结构组
8、成图如图5所示：图5 GPS结构组成图2.2.1 空间部分GPS的空间部分由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成，它们位于距离地球表面20200Km的高空中。平均分配在6个轨道平面上（每个平面4颗），轨道倾斜角为55，各轨道平面升交点的赤径相差60度。此外，还有4颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图象，这就提供了在时间上连续的全球导航能力。GPS卫星产生两组电码, 一组称为C/A 码( Coarse/Acquisition Code11023MHz) ；一组称为P 码(Precise Code 10123MHz)，
9、P 码因频率较高，不易受干扰，定位精度高，因此受美国军方管制，并设有密码，一般民间无法解读，主要为美国军方服务。C/A 码人为采取措施而刻意降低精度后，主要开放给民间使用。GPS卫星有如下基本功能： 接受和存储有地面监控站发来的导航信息，接受并执行监控站的控制命令。 借组与卫星上设有的微处理机进行必要的数据处理工作。 通过星载的高精度铯原子钟和铷原子钟提供精密的时间标准。 向用户发送定位信息。 在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星的姿态和启用备用卫星。2.2.2 地面控制部分地面控制部分由1个主控站、5个监测站和3个地面控制站组成。检测站是主控站直接控制下的数据自动采集中心，站内配有双频的
10、GPS接收机和高精度原子钟。检测站将卫星观测数据,包括电离层和气象数据，经过初步处理后，传送到主控站。主控站从各监测站收集跟踪数据，计算出卫星的轨道和时钟参数，然后将结果送到3 个地面控制站。地面控制站在每颗卫星运行至上空时，把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS 卫星每天一次，并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。如果某地面站发生故障，那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间，但导航精度会逐渐降低。2.2.3 用户设备部分用户设备即为GPS接收机本设计主要是设计该部分，其主要功能是能够捕获一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星。利用已经设计好的GPS接收模
11、块接收卫星发送的定位信息，通过MCU处理采集到的数据，并将数据转换成字符，显示定位信息。GPS接收机的硬件，一般包括主机（包括GPS数据采集芯片）、天线和电源，接收机中的微处理机算机是用户设备的核心部分，它可以按照定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在位置的经度、纬度、海拔高度、速度和日期时间信息。2.3 GPS工作原理GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。本设计采用GPS绝对定位原理，参照坐标系为WGS84坐标系。假设t时间在地面安置GPS接收机，测得GPS信号到达GPS接收机的时间为t，再根据GPS接收机上接收到
12、的从GPS卫星发射回来的星历信息。测伪距观测方程图如图6所6示：图6 测伪距观测方程图上述四个方程式中待测点坐标X、Y、Z和Vt0为未知参数，其中di=Cti（i=1、2、3、4）。di（i=1、2、3、4）分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。ti（i=1、2、3、4）分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。C为GPS信号的传播速度（即光速）。 四个方程式中各个参数意义如下： X、Y、Z为待测点坐标的空间直角坐标。 Xi、Yi、Zi（i=1、2、3、4）分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得。Vti（i=1
13、、2、3、4）分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星时钟差它由卫星星历提供。Vt0为接收机的时钟差。由以上四个方程即可解算出待测点的坐标X、Y、Z和接收机的时钟差Vt0。2.4 GPS数据解析本设计的GPS接收机根据NMEA-0183协议的标准规范，将位置、速度等信息通过串口传送到单片机系统。NMEA-0183协议是GPS接收机应当遵守的标准协议，也是目前GPS接收机上使用最广泛的协议，大多数常见的GPS接收机、GPS数据处理软件、导航软件都遵守或者至少兼容这个协议。NMEA 通讯协议所规定的通讯语句都已是以 ASCII 码为基础的，NMEA-0183 协议语句的数据格式如下：“$”为语句
14、起始标志；“，”为域分隔符；“ *”为校验和识别符，其后面的两位数为校验和，代表了“$”和“*”之间所有字符的按位异或值（不包括这两个字符）；“”为终止符，所有的语句必须以“”或“”来结束，也就是 ASCII 字符的“回车”（十六进制的 0D）和“换行”（十六进制的 0A）。所有的信息由$开始，以换行结束，紧跟着$后的五个字符解释了信息的基本类型，多个参数之间用逗号隔开。NMEA-0183 协议定义的语句非常多，但是常用的或者兼容性最广的语句有$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG、$GPGLL等。在设计中我们只对GPRMC数据和GPRMC数据进行了解析。2.4.
15、1 GPRMC数据详解$GPRMC,*hh UTC时间，hhmmss(时分秒)格式 定位状态，A=有效定位，V=无效定位 纬度ddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也将被传输) 纬度半球N(北半球)或S(南半球) 经度dddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也将被传输) 经度半球E(东经)或W(西经) 地面速率(000.0999.9节，前面的0也将被传输) 地面航向(000.0359.9度，以真北为参考基准，前面的0也将被传输) UTC日期，ddmmyy(日月年)格式 磁偏角(000.0180.0度，前面的0也将被传输) 磁偏角方向，E(东)或W(西) 模式指示(仅NMEA0183 3.00版本输出，A=自主定位，D=差分，E=估算，N=数据无效) 解析内容：1. 时间，这个是格林威治时间，是世界时间（UTC），我们需要把它转换成北京时间（BTC），BTC和UTC差了8个小时，要在这个时间基础上加8个小时。2. 定位状态，在接收到有效数据前，这个位是V
